Топливо, энергия и углеродная нейтральность.

Индекс техногенности цивилизации

С развитием человечества возникали новые методы использования солнечной энергии, в том числе с помощью теплоносителей для отопления помещений и генерации электричества на солнечных электростанциях. Разнообразие видов топлива также увеличивалось – от древесины и угля до урана, используемого в термоядерных реакциях.

Методы производства и использования энергии являются одной из ключевых характеристик уровня развития общества. Потребление энергии на душу населения – это главный показатель техногенности цивилизации.

Углерод не случайно считается основой ископаемого топлива и важнейшим элементом на Земле в веществах с высоким содержанием энергии. Это объясняется уникальными химическими свойствами его электронной оболочки – числом электронов и их орбитами в атоме. Однако разведанные запасы ископаемого топлива ограничены: при текущих и ожидаемых темпах потребления энергии, согласно мнению ученых из разных стран, они могут истощиться в ближайшие 100–150 лет.

При выборе типов топлива важно учитывать их теплотворную способность, обычно выражаемую в единицах удельной теплоты сгорания (Мдж⁄кг): для угля это 30, для нефти – 40, для природного газа – 50 Мдж⁄м³, для водорода – 120 Мдж⁄м³. При распаде ядра урана-235 выделяется 83 млн Мдж⁄кг. Другими словами, энергия, высвобождаемая из 1 кг урана-235, эквивалентна энергии, получаемой при сжигании 100 тонн угля, 60 тонн нефти, 48 000 кубических метров природного газа или около 20 000 кубических метров водорода.

Помимо невозобновляемых источников энергии, человечество научилось использовать солнечную, ветровую, электрохимическую энергию, включая топливные элементы, а также геотермальную энергию (в странах, расположенных вдоль побережья Тихого океана). Эти виды энергии являются возобновляемыми (ВИЭ), что позволяет использовать их бесконечно, пока светит Солнце и согревает нашу Землю, температура ядра которой составляет около 20 миллионов градусов, и пока планета продолжает вращение.

По брутто подсчетам ученых, наша Земля еще около 500 миллионов лет будет сохранять свои нынешние условия для обитания Homo sapiens и животных (воздух, вода, температура), и только через 500 миллионов лет начнет значительно нагреваться (выше 100 градусов), так как баланс в термоядерных реакциях на Солнце с участием водорода и гелия сместится в сторону гелия, у которого теплотворная способность значительно выше.

Казахстан добывает около 90 миллионов тонн нефти в год. Из них 70,5 миллиона тонн идет на экспорт, а остальная часть перерабатывается в основном на трех нефтеперерабатывающих заводах – в Павлодаре, Атырау и Шымкенте. Учитывая текущие темпы добычи сырой нефти, продолжительность использования «нефтяной подушки» может составить еще около 70–100 лет.

Кроме нефти, Казахстан добывает около 60 миллиардов кубометров газа. Выработка электроэнергии в нашей стране составляет около 115 миллиардов кВт.ч на 222 электрических станциях различной формы собственности с общей мощностью около 2 464 МВт. Эти показатели показывают, что Казахстан является достаточно самодостаточной страной и занимает 17-е место среди ведущих стран по интегральной мощности (по данным доклада МЛСУ – Международной лиги стратегического управления). Потребление первичной энергии в Республике Казахстан (совокупность различных видов энергии и топлива) является одним из самых высоких в СНГ – 150,1 ГДж на душу населения. Это вдвое выше, чем в среднем по миру, и почти втрое больше, чем в других странах, не входящих в ОЭСР.

Очистка до допустимых норм

Тем не менее, для дальнейшего роста экономики страны и повышения благосостояния жителей необходимо продолжать увеличивать выработку электроэнергии. Для решения этой задачи запланировано строительство трех новых ТЭЦ, увеличение доли ВИЭ и возведение АЭС (атомной электростанции). Стоит отметить, что Казахстан занимает первое место в мире по продаже урана.

На сегодняшний день в нашей стране более 80% электроэнергии вырабатывается с использованием угля, 7% – с помощью природного газа, 8% – гидроэлектростанциями и 5% – с использованием ВИЭ (солнечная энергия, преобразованная в электричество, и энергия от ветровых станций). Анализ технико-экономических показателей электроэнергетических объектов показывает целесообразность сохранения ТЭЦ, работающих на угле, запасы которого в Казахстане очень большие.

Экологические проблемы, связанные с необходимостью очистки дымовых газов ТЭЦ, можно решить. В мире давно разработаны барботажные методы очистки выбрасываемых газов, содержащих вредные примеси и токсичные (ядовитые) химические соединения (сера, азот), включая угарный газ (оксид углерода – СО). В нашей лаборатории АО «Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д. В. Сокольского» (Алматы) была разработана передовая технология полной очистки с автоматическим дозированием активных компонентов – нейтрализаторов.

Создана промышленная установка КСО-1 (комплексная система очистки), обеспечивающая очистку промышленных отходящих газов (от золы на 100%) и от вредных и ядовитых примесей до 95–97%, то есть до допустимых пределов нормативов. Из отходов можно получить минеральные (азотистые) удобрения, а оставшуюся массу можно использовать в качестве строительных материалов.

Наши ученые и инженеры прошли стажировку и обмен опытом в научно-производственных центрах Германии и Японии (известная компания Mitsubishi Power Ltd).

Мы, ученые РОО НАН РК, поддерживаем решение Главы государства Касым-Жомарта Токаева о снижении карбонизации атмосферы диоксидом углерода, что может влиять на потепление атмосферы Земли. Как известно, происходит интенсивное таяние вечных льдов Антарктиды и Арктики, Гренландии, высокогорных и шельфовых ледников. В Казахстане запланированы и реализуются мероприятия по строительству АЭС, промышленному производству «зеленого водорода», получаемого путем электрохимического разложения молекул воды, а также возведению промышленных установок ВИЭ для использования энергии солнца и ветра. Кроме того, ведется строительство мини-гидроэлектростанций и промышленных электрохимических производств для преобразования энергии химических процессов в электрическую и другие подобные проекты. Все они были встречены мировой общественностью весьма положительно.

Однако стоит упомянуть, что некоторые западноевропейские защитники «зеленой» природы не совсем корректны, когда причиной потепления Земли и ее атмосферы называют только карбонизацию. В составе воздуха содержится лишь 0,03% углекислого газа – СО2, и его уровень на практике колеблется лишь в сотых долях (азот – 78%, кислород – 21% и инертные газы – 1,0%, в том числе СО2 – 0,03%). Это не может оказывать такого сильного влияния, чтобы вызвать глобальное потепление.

Современная атмосфера, вода и растительность Земли остаются без изменений на протяжении более миллиона лет. В эпоху, когда человека еще не существовало, происходили обширные лесные пожары, вызванные молниями. Так как тушить их было некому, огромные зеленые массивы сгорали до наступления обильных дождей и выпадения снега. В результате воздух насыщался углекислым газом, однако заметных изменений климата не происходило.

По мнению большинства ученых, температурные колебания, вызывавшие на Земле мерзлоту, жаркую погоду и потопы, имели место и в прошлом, судя по археологическим артефактам и истории нашей планеты. Общая тенденция к потеплению возможна из-за усиления солнечного нагрева в результате смещения равновесия от водорода в сторону гел